小流量涡轴发动机涡轮气动及冷却技术研究

【摘要】：涡轴发动机主要用于军用、民用直升机，其发展与国防行业密切相关。涡轮作为涡轴发动机关键部件之一，发展一直制约着涡轴发动机乃至直升机的发展。涡轴发动机涡轮内部流场结构极其复杂，叶片展弦比较低，进口附面层相对较厚，势必造成其流场内产生复杂的涡系结构、流道叶栅内的强横向二次流以及叶片端部低能流体聚集，会造成叶栅性能的下降。由于涡轴发动机的工况变化较大，恶劣的流场结构会对涡轮变工况性能造成较大影响。涡轴发动机流量较其他航空发动机涡轮流量小很多，其冷气流量也非常小，但入口初温较高。另一方面，采用涡轴发动机的直升机工作于海洋、沙漠等恶劣环境，气膜孔及排尘孔易于堵塞，因此，涡轮的冷却结构设计是涡轴发动机设计的一个难点也是重点。 本文以小流量涡轴发动机涡轮为研究对象，针对于动力涡轮第一级静叶的工作特点，研究在不同弯扭叶片弯角、弯高与积迭线形式等设计参数对气动性能的影响，提炼高负荷弯扭叶片的设计思想。 燃气涡轮入口初温较高，在最大起飞状态下，对第一级导叶及第一级动叶进行冷却结构设计。设计中，充分考虑了发动机工作的恶劣环境与小冷气量的充分利用以及合理分配。对第一级导叶采用单元设计法、管网计算以及1+3维温度场计算程序对其进行设计，设计采用两腔设计保证流量的分配，大冲击孔、大气膜孔保证尘埃等不堵塞冷却结构。尾缘劈缝扰流柱肋增大尾部换热，同时调整流阻以达到合理分配流量的目的。第一级动叶采用单元设计法、管网计算、1+3维温度场计算程序以及全三维气热耦合计算对其进行设计，设计采用多回转单通道充分利用冷气，叶顶大除尘孔除尘。最后对比管网计算、1+3维温度场计算以及全三维气热耦合计算结果，分析造成计算差异的原因，并提出改进方法。 最终确定的动力涡轮弯扭叶片设计方法符合要求，并提炼出针对该动力涡轮导叶的高负荷弯扭叶片的设计思想。对于冷却结构，设计出的两列叶栅冷却结构符合设计目标，温度场分布较为合理，冷气的流量分配符合工程实际，并对管网计算以及1+3维温度场提出了建设性的意见。